JP2016049921A - 車輪駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ配線を問題とすることなく旋回軸が多回転可能で、旋回軸角度の初期化が不要で、路面接地性を向上させた車輪駆動装置を提供する。
【解決手段】筐体と、第１の回転軸と、第１のモータと、第２の回転軸と、第２のモータと、前記第１の回転軸および前記第２の回転軸と同軸上に配置され、前記筐体および前記第１の回転軸および前記第２の回転軸と相対的に回転可能な旋回部と、前記旋回部の回転角度を検出可能な絶対値エンコーダと、前記旋回軸からオフセットされた位置で水平な軸まわりに回転可能な第１の車輪および第２の車輪と、前記第１の回転軸から前記第１の車輪へ回転を伝達し、前記第２の回転軸から前記第２の車輪へ回転を伝達する伝達部と、前記第１の車輪及び前記第２の車輪を路面に対して略垂直方向に移動可能とし、前記第１の車輪及び前記第２の車輪を路面の方向に押し付ける懸架部とを備える。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、車輪移動ロボットを全方向に移動するための車輪駆動装置に関する。特に、本発明は、旋回軸が多回転可能で、旋回軸の初期化が不要で、路面接地性を向上した車輪駆動装置に関する。

従来、全方向へ車輪で移動するロボットでは、オムニホイールやメカナムホイールといったフリーローラを円周上に配置した特殊な車輪を用いる方法がある。これらの車輪は、多数のフリーローラを用いるため、コストが高く、回転中に振動が発生したり、路面を傷つけたりするといった課題があった。

一方、通常のゴムタイヤを用いた車輪で全方向に移動する方法が考案されている（例えば、特許文献１参照。）。一対の駆動車輪を操舵軸まわりに旋回させることで任意の方向に車輪の向きを変えることが可能であるが、駆動軸と操舵軸にオフセットがないため、瞬時に横方向に移動することができず、そのための時間を必要としている。

これに対して、瞬時に横方向へ移動可能にするため、操舵駆動軸からオフセットされた車輪走行駆動軸を有するもの（アクティブ単輪キャスタ）が知られている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、車輪走行駆動モータに比べ、操舵駆動モータの利用比率が少なく、効率的ではないという問題があった。この問題に対し、差動駆動により、効率化が図られたものもある（例えば、特許文献３、４参照。）が、操舵軸と車輪が干渉しないようにするため、低床化が難しいという課題があった。

フリー回転の旋回軸からオフセットされた２つの駆動車輪を持つもの（アクティブ双輪キャスタ）も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。アクティブ単輪キャスタに対してモータの利用効率が改善され、２つの車輪に分ければ操舵軸と車輪の干渉を避けられるが、操舵軸から先の２つの車輪を駆動しなくてはならず、操舵軸を多回転できるようにするには走行モータの配線が問題となっていた。それに対し、同軸上に回転軸を配置することでモータを上部に設置する機構が示されている（例えば、特許文献５参照。）。

特許第３０５５２５０号公報 特許第３５６０４０３号公報 特許第５２２８１５６号公報 特許第５３７６３４７号公報 特許第４１４７５８１号公報

しかし、操舵軸の角度の初期化が必要であり、路面にわずかにでも凹凸があると全方向への移動が困難になるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、モータ配線を問題とすることなく旋回軸が多回転可能で、旋回軸角度の初期化が不要で、路面接地性を向上させた車輪駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明においては、路面に対して略水平に配置された筐体と、路面に対して略垂直な旋回軸まわりに、前記筐体と相対的に回転可能な第１の回転軸と、前記筐体に設置され、前記第１の回転軸を回転駆動する第１のモータと、前記第１の回転軸と同軸上に配置され、前記筐体および前記第１の回転軸と相対的に回転可能な第２の回転軸と、前記筐体に設置され、前記第２の回転軸を回転駆動する第２のモータと、前記第１の回転軸および前記第２の回転軸と同軸上に配置され、前記筐体および前記第１の回転軸および前記第２の回転軸と相対的に回転可能な旋回部と、前記筐体に設置され、前記旋回部の回転角度を検出可能な絶対値エンコーダと、前記旋回軸からオフセットされた位置で水平な軸まわりに回転可能な第１の車輪および第２の車輪と、前記第１の回転軸から前記第１の車輪へ回転を伝達し、前記第２の回転軸から前記第２の車輪へ回転を伝達する伝達部と、前記第１の車輪及び前記第２の車輪を路面に対して略垂直方向に移動可能とし、前記第１の車輪及び前記第２の車輪を路面の方向に押し付ける懸架部とを備える車輪駆動装置が提供される。

また、上記車輪駆動装置は、前記懸架部がバネからなってもよい。

また、上記車輪駆動装置は、前記懸架部がバネおよびダンパからなってもよい。

また、上記目的を達成するため、本発明においては、上記いずれか１つに記載の車輪駆動装置を２台以上備える全方向移動台車が提供される。

本発明に係る車輪駆動装置によれば、モータ配線を問題とすることなく旋回軸が多回転可能で、旋回軸角度の初期化が不要で、路面接地性を向上させた車輪駆動装置を提供できる。

車輪駆動装置の概念図である。 車輪駆動装置の概念図である。 車輪駆動装置の図である。 ＭＡＤＣの操舵軸における断面図である。 上部の拡大図である。 全方向移動ロボットの外観を示す図である。 全方向移動ロボットの外観を示す図である。 全方向移動ロボットの外観を示す図である。 全方向移動ロボットの外観を示す図である。 システム構成図である。 運動学モデルを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１及び図２Ａ並びに図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る車輪駆動装置の概念図の一例を示す。

［車輪駆動装置の概要］
車輪駆動装置は、筐体と、路面に対して実質的に垂直な旋回軸まわりにおいて、筐体と相対的に回転可能な第１の回転軸と、第１の回転軸と同軸上に配置され、筐体および第１の回転軸と相対的に回転可能な第２の回転軸と、第１の回転軸を駆動する第１のモータと、第２の回転軸を駆動する第２のモータと、第１の回転軸および第２の回転軸と同軸上に配置され、筐体および第１の回転軸並びに第２の回転軸と相対的に回転可能な旋回部と、筐体に設置され、旋回部の回転角度を検出可能な絶対値エンコーダと、旋回軸からオフセットされた位置で水平な軸まわりに回転可能な第１の車輪および第２の車輪と、第１の回転軸から第１の車輪へ回転を伝達し、第２の回転軸から第２の車輪へ回転を伝達する伝達部と、第１の車輪及び第２の車輪を路面に対して略垂直方向に移動可能とし、第１の車輪及び第２の車輪を路面の方向に押し付ける懸架部とを備える。なお、懸架部は、バネ及び／又はダンパを有することができる。

［車輪駆動装置の詳細］
（多回転可能なアクティブ双輪キャスタ機構）
アクティブ双輪キャスタ機構を用いた全方向移動機構は、理論上は実現可能だが、実装する際には駆動部への配線の制約により多回転が難しいといった問題がある。スリップリングを用いる方法も考えられるが、コストが割高になり、長期信頼性に不安が残る。そこで本発明者らは、機構的に多回転を可能とするアクティブ双輪キャスタ機構（以後、ＭＡＤＣ：Multirotatable ActiveDual-wheel Caster と表現する）を開発した。その概要を図１および図２に示す。

また、図３にＭＡＤＣの操舵軸における断面の一例を示し、図４に上部を拡大した場合の一例を示す。

モータから右車輪間の伝達経路を「Ａ」、モータから左車輪間の伝達経路を「Ｂ」、ＭＡＤＣの上部を「Ｃ」、下部を「Ｄ」で示している。図３に示すように、操舵軸を中心に内から、内軸（第１の回転軸、Ａ）、外軸（第２の回転軸、Ｂ）、ＭＡＤＣ下部（旋回部、Ｄ）、ＭＡＤＣ上部（筐体、Ｃ）の順で配置している。各パーツ間をベアリングで支えることにより、それぞれが相対的に回転することができる。このように、ＭＡＤＣは大きく分けて上部（筐体）と下部（旋回部）の２つを備え、上部は移動ロボットに固定され、下部は上部に対して相対的に回転する。このＭＡＤＣの上部に２つのモータを備えており、歯車やプーリを介して、その回転を左右の車輪に伝える。更に、上部に対する下部の旋回角度は１０ｂｉｔのアブソリュートエンコーダにより計測されるため、起動のたびに初期化する必要はない。本実施例では、モータと回転軸との間の減速比が１／１０であり、回転軸と車輪との間の減速比が１／３のため、各車輪軸ω_ｗＬ、ω_ｗＲ、旋回軸ω、モータ軸ω_ｍＬ、ω_ｍＲの間の角速度の関係は次式のように表される。

（式１）

（式２）

モータ・エンコーダ本体を固定したＭＡＤＣ上部が回転することがないため、アクティブ双輪キャスタ機構の課題の１つである配線の引き回しが解消され、ＭＡＤＣ下部が多回転することができる。

（全方向移動ロボット）
上記ＭＡＤＣを車輪部として２つ備えた全方向移動ロボットについて説明する。図５Ａ〜Ｄにその外観を示し、図６に全体のシステム構成の一例を示す。

（全方向移動ロボットの運動学）
全方向移動ロボットの運動学モデルを図７に示す。ここで移動ロボットが移動する空間を水平な平面上と仮定し、ロボットの上方から見た座標系を図７のようにおく。絶対座標系ΣＡから見たロボットの位置と姿勢を表すベクトルをＰ＝［Ｐ_ｘ，Ｐ_ｙ，φ］^Ｔとする。また、ロボットから見て左の車輪部の番号を１、右の番号を２とし、車輪部それぞれのΣＡの原点からみた位置ベクトルをｐ_ｉ、車輪部本体の向き（角度）をθ_ｉ、左右輪の間隔をｂ、車輪半径をｒ、車輪軸と操舵軸のオフセットをｌ、車輪の角速度を（ω_ｉＬ，ω_ｉＲ）、車輪部の操舵軸とロボットの中心との距離をＬとする。ただし、ｉ＝１、２とする。

車輪が路面上を滑ることなく回転すると仮定すると、ロボットの速度
から車輪角速度Ｕ＝［ω_１Ｌ，ω_１Ｒ，ω_２Ｌ，ω_２Ｒ］^Ｔを求める次の逆運動学式が成り立つ。

（式３）

ただし、以下の関係を満たし、Ｒ（θ）は回転変換行列である。

（式４）

（式５）

（式６）

このように２つのアクティブ双輪キャスタにより、ロボットの任意方向への移動を実現することができる。

（走行実験）
全方向移動ロボットの実機において、実際に任意の位置・姿勢に移動できるか走行実験により確認した。図５Ａ〜Ｄにその様子を示す。図５Ａから図５Ｂで写真の右方向に移動し、更に図５Ｂ〜図５Ｃで写真の上方向に移動させた。更に、図５Ｃの位置において、図５Ｄのように旋回運動を行うことができた。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る車輪駆動装置は、特殊車輪ではないアクティブキャスタを用いて、任意の方向に瞬間的な駆動力を発生させることができ、配線による制約がない多回転可能なアクティブ双輪キャスタを提供することができる。また、本実施の形態に係る車輪駆動装置を全方向移動ロボットに適用することができる。

すなわち、本実施の形態に係る車輪駆動装置によれば、普通車輪を用いた全方向移動機構を実現でき、多回転可能なアクティブ双輪キャスタ機構を実現できると共に、全方向移動ロボットを実現できる。本実施の形態に係るロボットにおける走行実験によれば、実際に任意の方向に瞬時に速度を生み出すことを実現できることが確認された。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せのすべてが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。

Claims (4)

1. 路面に対して略水平に配置された筐体と、
   路面に対して略垂直な旋回軸まわりに、前記筐体と相対的に回転可能な第１の回転軸と、
   前記筐体に設置され、前記第１の回転軸を回転駆動する第１のモータと、
   前記第１の回転軸と同軸上に配置され、前記筐体および前記第１の回転軸と相対的に回転可能な第２の回転軸と、
   前記筐体に設置され、前記第２の回転軸を回転駆動する第２のモータと、
   前記第１の回転軸および前記第２の回転軸と同軸上に配置され、前記筐体および前記第１の回転軸および前記第２の回転軸と相対的に回転可能な旋回部と、
   前記筐体に設置され、前記旋回部の回転角度を検出可能な絶対値エンコーダと、
   前記旋回軸からオフセットされた位置で水平な軸まわりに回転可能な第１の車輪および第２の車輪と、
   前記第１の回転軸から前記第１の車輪へ回転を伝達し、前記第２の回転軸から前記第２の車輪へ回転を伝達する伝達部と、
   前記第１の車輪及び前記第２の車輪を路面に対して略垂直方向に移動可能とし、前記第１の車輪及び前記第２の車輪を路面の方向に押し付ける懸架部と
   を備える車輪駆動装置。
2. 前記懸架部が、バネからなる請求項１に記載の車輪駆動装置。
3. 前記懸架部が、バネおよびダンパからなる請求項１に記載の車輪駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の車輪駆動装置を２台以上備える全方向移動台車。